高二物理競賽光學(xué)諧振腔的作用課件

一般由一對相距為的反射鏡（平面或球面）組成。平面諧振腔中：一個全反射鏡的，另一個的。1．光學(xué)諧振腔的作用1）光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于法布里－珀羅標(biāo)準(zhǔn)具。2）諧振腔實(shí)現(xiàn)光的定向連鎖放大作用（1）初始階段：自發(fā)輻射的光子是向各方向發(fā)射的，引起的受激輻射的方向也是隨機(jī)的。（2）只有沿軸向傳播的光才能在反射鏡之間多次反射，形成雪崩式的連續(xù)光放大，（3）一部分激光穿透部分反射鏡輸出，形成穩(wěn)定的激光。（4）諧振腔的作用保證了激光輸出的穩(wěn)定性和極好的方向性。3）諧振腔的閾值條件（1）增益使光強(qiáng)變大（2）損耗（它包括光在端面上的吸收、透射以及衍射等）使光強(qiáng)變?。?）增益大于損耗才能獲得激光輸出（4）閾值條件和閾值增益諧振腔內(nèi)光的增益與損耗

M1M2I1I2I4I3I5相應(yīng)的增益稱為諧振腔的閾值增益，記作：要求：，至少應(yīng)當(dāng)：，稱為諧振腔的閾值條件

（2）實(shí)際增益隨光強(qiáng)的增大下降（1）實(shí)際增益大于時，光強(qiáng)才能不斷增強(qiáng)。討論：（3）當(dāng)下降到時，諧振腔內(nèi)光強(qiáng)就維持穩(wěn)定了。（4）激光器產(chǎn)生激光的必要條件：工作物質(zhì)的粒子數(shù)布居反轉(zhuǎn)，諧振腔滿足閾值條件。輻射線寬定義：以中心頻率輸出的激光所具有的頻率半寬度。1）激光輸出的輻射線寬2）造成激光譜線增寬的因素（1）自然線寬定義：由發(fā)射波列的持續(xù)時間決定的譜線寬度能級（亞穩(wěn)態(tài)）上的壽命相當(dāng)于粒子發(fā)射波列的持續(xù)時間。由時間相干反比公式可知：因此，自然線寬：（數(shù)量級），

甚至更小。（2）碰撞展寬定義：粒子間碰撞引起的輻射譜線加寬粒子間的碰撞可加速躍遷，從而縮短了能級的壽命粒子碰撞的頻率越大，碰撞展寬也越大。激光器的碰撞展寬：

（3）多普勒展寬定義：由多普勒頻移效應(yīng)引起的譜線展寬粒子的速率分布服從麥克斯韋速率分布，故多普勒展寬的線型與麥克斯韋分布函數(shù)曲線相似。，相當(dāng)于：激光器的多普勒展寬：

單色性較好由，可知2．諧振腔的選頻作用1）縱模及間隔縱模：縱模間隔：單模線寬：2）激光器諧振腔的選頻作用將激活物質(zhì)產(chǎn)生的寬譜線激光變成了許多等間隔的窄譜線的輸出激光3）縱模個數(shù)愈小，愈大，縱模個數(shù)愈少。

例題：若或求縱模個數(shù)？這種激光器稱為多縱橫（或多頻）激光器。這種激光器稱為單縱模（或單頻）激光器。若解：4）He－Ne激光器的腔長與縱模間隔的數(shù)據(jù)實(shí)例3．激光的橫模1）定義：諧振腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場分布激光器輸出光束在屏上形成的光斑形狀直觀地顯示了橫模形式，2）激光橫模的表示法：TEM是“橫電磁”的英文字頭縮寫，為縱模序數(shù)，通常略去不寫。

和分別表示在水平（）和豎直（）方向出現(xiàn)的暗區(qū)數(shù)下圖畫出了幾種橫模圖形。或者：表示沿半徑方向出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)，表示出現(xiàn)的暗直徑條數(shù)3）縱模和橫模的物理意義：諧振腔所允許的激光光場的各種縱向和橫向的穩(wěn)定分布模式最常用的是最低階模，這時光束具有最好的空間相干性。§6激光的特性和應(yīng)用1．激光的主要特點(diǎn)較好的激光源的單色性表征量的量值約數(shù)量級，1）高單色性好的可高達(dá)的數(shù)量級。2）高定向性光束沿空間極小的立體角范圍（一般為球面度）向前傳輸。3）高相干性具有高度的時間相干性和高度的空間相干性。激光的相干性、單色性及方向性均最好。單縱模及橫模運(yùn)行時，4）高強(qiáng)度自然界中最強(qiáng)的光源要屬太陽，它的亮度值約為，而目前大功率激光器輸出亮度可達(dá)2．激光的應(yīng)用1）利用激光的高強(qiáng)度打孔、焊接、切割，激光手術(shù)刀，作為激光武器，引發(fā)激光核聚變，進(jìn)行非線性光學(xué)的研究等。2）利用激光的高相干性進(jìn)行高精度大范圍測量，測量天文尺度的長距離，測40